轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架名義應(yīng)力容許疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)構(gòu)建研究

周張義， 楊 欣

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

作為轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵承載部件，焊接構(gòu)架的服役安全和可靠性至關(guān)重要。各行業(yè)大量運(yùn)用實(shí)踐已表明，在動(dòng)態(tài)載荷作用下疲勞破壞幾乎是焊接結(jié)構(gòu)的惟一失效模式，因此必須高度重視焊接構(gòu)架的疲勞設(shè)計(jì)。

對(duì)于設(shè)計(jì)階段的焊接構(gòu)架，合理完善的細(xì)節(jié)疲勞設(shè)計(jì)和分析評(píng)定，必然需要可靠適用的容許疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)支撐。當(dāng)前，名義應(yīng)力法廣泛應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)，積累了豐富的容許疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并得到了普遍標(biāo)準(zhǔn)化[1-5]。然而由于國(guó)內(nèi)鐵道行業(yè)至今缺乏相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，工程應(yīng)用中長(zhǎng)期借鑒國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、準(zhǔn)則或建議文檔[6-13]。

鑒于此，本文著重針對(duì)3種分別在歐洲鐵路機(jī)車車輛行業(yè)應(yīng)用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)、準(zhǔn)則和建議文檔(DIN 15018[1]、DVS 1612[2]和IIW-1823-07[3])，就其提供的標(biāo)準(zhǔn)化疲勞容許應(yīng)力進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比分析，同時(shí)考慮我國(guó)焊接構(gòu)架制造材質(zhì)機(jī)械性能和焊接標(biāo)準(zhǔn)，研究構(gòu)建適用于我國(guó)轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的名義應(yīng)力容許疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

1 名義應(yīng)力容許疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)表征

耐久極限法(Endurance Limit Approach)和累積損傷法(Cumulative Damage Approach)是二種在鐵道機(jī)車車輛行業(yè)均推薦采用的疲勞評(píng)定方法，其相應(yīng)采用的名義應(yīng)力容許疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)分別以疲勞包絡(luò)線圖和S-N曲線表征。

耐久極限法評(píng)定要求為：分析部位在結(jié)構(gòu)正常服役條件下，由最不利載荷工況組合確定出的疲勞應(yīng)力應(yīng)位于疲勞包絡(luò)線圖內(nèi)。疲勞包絡(luò)線圖表征特定循環(huán)次數(shù)下，不同循環(huán)特性對(duì)應(yīng)的容許疲勞強(qiáng)度值，工程中常采用如下3種形式：(1) Smith圖。橫坐標(biāo)為平均應(yīng)力σm，縱坐標(biāo)為容許最大應(yīng)力[σmax]和最小應(yīng)力[σmin]；(2) Haigh圖。橫坐標(biāo)為σm，縱坐標(biāo)為容許應(yīng)力幅[σa]；(3) MKJ圖。橫坐標(biāo)為應(yīng)力比R，縱坐標(biāo)為[σmax]。根據(jù)平均應(yīng)力修正方程，這3種形式的疲勞包絡(luò)線圖可以相互等效轉(zhuǎn)化。

累積損傷法評(píng)定要求為：分析部位在結(jié)構(gòu)正常服役條件下，由載荷譜確定出的應(yīng)力譜基于一定累積損傷準(zhǔn)則，結(jié)合S-N曲線進(jìn)行損傷計(jì)算，總損傷應(yīng)小于臨界值(如1.0)。S-N曲線表征特定循環(huán)特性下，不同循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的容許疲勞強(qiáng)度值。在有限壽命范圍內(nèi)，S-N曲線在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下常表征為斜直線，橫坐標(biāo)為循環(huán)次數(shù)N，縱坐標(biāo)為[σa]或容許應(yīng)力范圍[Δσ]。根據(jù)S-N曲線并結(jié)合平均應(yīng)力修正方程，可確定出任意循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的疲勞包絡(luò)線圖，即S-N曲線隱含疲勞包絡(luò)線圖。

Haigh圖和Smith圖均可使用一張坐標(biāo)圖，同時(shí)表征拉壓平均應(yīng)力區(qū)的疲勞包絡(luò)線圖，而MKJ圖則需要使用兩張坐標(biāo)圖，分別表征拉壓平均應(yīng)力區(qū)的疲勞包絡(luò)線圖。可見，對(duì)于不同數(shù)據(jù)間的對(duì)比分析，Haigh圖和Smith圖比MKJ圖有利。此外考慮應(yīng)力幅是影響結(jié)構(gòu)疲勞性能的首要因素，而平均應(yīng)力是第二位因素，因此Haigh圖比Smith圖更加直觀和易于理解。

為此，針對(duì)DIN 15018、DVS 1612和IIW-1823-07分別提供的名義應(yīng)力容許疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)，根據(jù)各自規(guī)定的平均應(yīng)力修正方程，導(dǎo)出和繪制了2×106循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的Haigh疲勞包絡(luò)線圖用于對(duì)比研究。

2 標(biāo)準(zhǔn)化名義應(yīng)力容許疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)

2.1 DIN 15018標(biāo)準(zhǔn)

DIN 15018是德國(guó)著名的起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)校核和分析標(biāo)準(zhǔn)，其提供的鋼結(jié)構(gòu)母材和焊接接頭名義應(yīng)力容許疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)，不僅廣泛應(yīng)用于起重機(jī)行業(yè)，而且被其他行業(yè)如鐵道機(jī)車車輛行業(yè)長(zhǎng)期借鑒采用。

表1列出了2×106循環(huán)次數(shù)下，St 52-3(屈服極限σs為360 MPa，抗拉強(qiáng)度σb不小于490 MPa)鋼母材和焊接接頭的對(duì)稱循環(huán)容許正應(yīng)力幅[σa,-1]值。根據(jù)缺口效應(yīng)嚴(yán)重程度，DIN 15018將母材和焊接接頭分別劃分為2個(gè)和5個(gè)缺口等級(jí)。

表1 St 52-3鋼母材和焊接接頭的[σa,-1]值 MPa

針對(duì)不同的循環(huán)特性，DIN 15018規(guī)定了相對(duì)復(fù)雜的平均應(yīng)力修正方程，具體為

(1) 拉伸平均應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力比按R=σmin/σmax計(jì)算，不同R時(shí)容許最大應(yīng)力[σmax,R]+按下式確定

( 1 )

( 2 )

(2) 壓縮平均應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力比按R=σmax/σmin計(jì)算，不同R時(shí)容許最大應(yīng)力[σmax,R]-按下式確定

( 3 )

( 4 )

此外，DIN 15018對(duì)疲勞包絡(luò)線圖的極限容許拉壓應(yīng)力進(jìn)行了規(guī)定。對(duì)于St 52-3鋼母材和非焊接構(gòu)件，極限容許拉壓應(yīng)力分別為270、240 MPa；對(duì)于焊接接頭，對(duì)接和優(yōu)質(zhì)雙K形對(duì)接焊縫，標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量雙K形對(duì)接焊縫，角焊縫的極限容許拉應(yīng)力分別為270、240、191 MPa。對(duì)接和雙K形對(duì)接焊縫、角焊縫的極限容許壓應(yīng)力分別為270、220 MPa。

基于式( 1 )～式( 4 )，并結(jié)合最大應(yīng)力、應(yīng)力比、平均應(yīng)力及應(yīng)力幅間的關(guān)系，同時(shí)定義2個(gè)常數(shù)α=1-[σmax,0]+/0.75σb和β=1-[σmax,0]-/0.9σb，可導(dǎo)出計(jì)算不同拉壓平均應(yīng)力時(shí)容許應(yīng)力幅[σa,σm]+和[σa,σm]-的方程為

(1) 拉伸平均應(yīng)力區(qū)

[σa,σm]+=-0.2σm+[σa,-1] -1

( 5 )

( 6 )

(2) 壓縮平均應(yīng)力區(qū)

[σa,σm]-=[σa,-1] -1

( 7 )

( 8 )

根據(jù)式( 5 )～式( 8 )，并考慮極限容許拉壓應(yīng)力繪制出了相應(yīng)的Haigh圖，見圖1。圖1中缺口等級(jí)標(biāo)識(shí)符后括號(hào)內(nèi)數(shù)字為其對(duì)應(yīng)的[σa,-1]數(shù)值，下同。

2.2 DVS 1612準(zhǔn)則

DVS 1612是德國(guó)焊接學(xué)會(huì)制定的鐵道機(jī)車車輛焊接鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和耐久強(qiáng)度評(píng)定準(zhǔn)則。其提供的母材和焊接接頭名義應(yīng)力容許疲勞應(yīng)力，基于德國(guó)鐵路DB早期的DV 952規(guī)程，最新2009版本對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了修訂并替代DV 952。

對(duì)于正應(yīng)力容許疲勞強(qiáng)度，DVS 1612分別將母材和焊接接頭劃分為2個(gè)(A和AB)和9個(gè)(B～F2)主缺口等級(jí)，相對(duì)每個(gè)主缺口等級(jí)再增加2個(gè)上下副缺口等級(jí)(如AB+和AB-、E6+和E6-等)，主副缺口等級(jí)間疲勞強(qiáng)度相差約1.04倍。表2列出了2×106循環(huán)次數(shù)下，結(jié)構(gòu)鋼S355(σs為355 MPa，σb不小于490 MPa)母材和焊接接頭的[σa,-1]值。

表2 S355鋼母材和焊接接頭的[σa,-1]值 MPa

針對(duì)不同的循環(huán)特性，DVS 1612規(guī)定了相對(duì)簡(jiǎn)潔的平均應(yīng)力修正方程，具體為:

(1) 拉伸平均應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力比按R=σmin/σmax計(jì)算，不同R時(shí)容許最大應(yīng)力[σmax,R]+按下式確定

( 9 )

(2) 壓縮平均應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力比按R=σmax/σmin計(jì)算，不同R時(shí)容許最大應(yīng)力[σmax,R]-按下式確定

(10)

此外對(duì)于S355鋼，DVS 1612針對(duì)各缺口等級(jí)疲勞包絡(luò)線圖的極限容許拉壓應(yīng)力規(guī)定如下：A+～D-為240 MPa，E1+～E5-為216 MPa，E6+～F2-為155 MPa。

同上，根據(jù)式( 9 )和式(10)，可導(dǎo)出計(jì)算不同拉壓平均應(yīng)力時(shí)容許應(yīng)力幅[σa,σm]+和[σa,σm]-的方程為

(1) 拉伸平均應(yīng)力區(qū)

-1

(11)

(2) 壓縮平均應(yīng)力區(qū)

[σa,σm]-=[σa,-1] -1

(12)

根據(jù)式(11)和式(12)，并考慮極限容許拉壓應(yīng)力，繪制出相應(yīng)的Haigh圖，見圖3。

另外，DVS 1612規(guī)定了1個(gè)母材和5個(gè)焊接接頭剪應(yīng)力缺口等級(jí)。在2×106循環(huán)次數(shù)下，S355鋼各缺口等級(jí)的對(duì)稱循環(huán)容許剪應(yīng)力幅[τa,-1]值見表3。

表3 S355鋼母材和焊接接頭的[τa,-1]值 MPa

剪應(yīng)力不存在拉壓之分，其正負(fù)僅表征作用方向不同。DVS 1612定義絕對(duì)值大的剪應(yīng)力為最大剪應(yīng)力τmax，絕對(duì)值小的剪應(yīng)力為最小剪應(yīng)力τmin，應(yīng)力比按R=τmin/τmax計(jì)算，不同R時(shí)容許最大剪應(yīng)力[τmax,R]按下式確定

(13)

對(duì)于S355鋼，DVS 1612規(guī)定缺口等級(jí)G+～G-的極限容許剪應(yīng)力為168 MPa；H+～H-為152 MPa。

同上，根據(jù)式(13)可導(dǎo)出確定不同平均應(yīng)力時(shí)容許剪應(yīng)力幅[τa,τm]的方程

(14)

根據(jù)式(14)，并考慮極限容許剪切應(yīng)力，繪制出了相應(yīng)的Haigh圖，見圖4。

2.3 IIW-1823-07建議文檔

IIW-1823-07是國(guó)際焊接學(xué)會(huì)制定的焊接接頭和部件疲勞設(shè)計(jì)建議文檔，其涵蓋了至今焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)的多種評(píng)定方法，如名義應(yīng)力法、結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)應(yīng)力法、等效缺口應(yīng)力法和斷裂力學(xué)法等，被世界范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)制定組織廣泛借鑒。

針對(duì)名義應(yīng)力法，IIW-1823-07提供的容許疲勞強(qiáng)度以S-N曲線形式表征。對(duì)焊接鋼結(jié)構(gòu)共規(guī)定了14個(gè)正應(yīng)力缺口等級(jí)，并以2×106循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的容許應(yīng)力范圍[Δσ]FAT區(qū)分，如缺口等級(jí)FAT100表示其2×106循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的[Δσ]FAT為100 MPa。圖5所示為14個(gè)缺口等級(jí)的正應(yīng)力常幅S-N曲線。

針對(duì)不同的循環(huán)特性，IIW-1823-07規(guī)定的平均應(yīng)力修正方程為

(1) 拉伸平均應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力比按R=σmin/σmax計(jì)算，不同R時(shí)容許應(yīng)力范圍[ΔσR]+按下式確定

[ΔσR]+=(1.2-0.4R)·[Δσ]FAT-1≤R<0.5

(15)

[ΔσR]+=[Δσ]FAT0.5≤R≤1

(16)

(2) 壓縮平均應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力比按R=σmax/σmin計(jì)算，不同R時(shí)容許應(yīng)力范圍[ΔσR]+為

[ΔσR]+=1.6·[Δσ]FAT-1

(17)

同上，根據(jù)式(16)和式(17)可導(dǎo)出計(jì)算不同拉壓平均應(yīng)力時(shí)容許應(yīng)力幅[σa,σm]+和[σa,σm]-的方程。

(1) 拉伸平均應(yīng)力區(qū)

-1≤R<0.5

(18)

[σa,σm]+=0.5·[Δσ]FAT0.5≤R≤1

(19)

(2) 壓縮平均應(yīng)力區(qū)

[σa,σm]-=0.8·[Δσ]FAT-1

(20)

考慮IIW-1823-07未規(guī)定容許拉壓應(yīng)力的極限值，故參考DVS 1612的規(guī)定，基于式(18)～式(20)繪制出了2×106循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力Haigh圖，見圖6。

另外，IIW-1823-07規(guī)定了2個(gè)缺口等級(jí)的剪應(yīng)力S-N曲線，分別為FAT100和FAT80。參考DVS 1612規(guī)定的極限剪應(yīng)力值，繪制出了2×106循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力Haigh圖，見圖7。

3 三組數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

3.1 缺口等級(jí)劃分

各類焊接接頭是焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析評(píng)定的重點(diǎn)。圖8、圖9分別為三組數(shù)據(jù)焊接接頭的正應(yīng)力和剪應(yīng)力缺口等級(jí)劃分對(duì)比分析。

由圖8、圖9可見，DVS 1612劃分了最為詳細(xì)的缺口等級(jí)，其[σa,-1]取值范圍123 MPa(B+)～29 MPa(F2-)，[τa,-1]取值范圍92 MPa(G+)～52 MPa(H-)，不僅覆蓋了DIN 15018和IIW-1823-07的規(guī)定范圍并更加細(xì)分，而且在更高疲勞強(qiáng)度區(qū)劃分了缺口等級(jí)。

IIW-1823-07臨近缺口等級(jí)間容許疲勞強(qiáng)度相差約1.12倍，與DVS 1612臨近主缺口等級(jí)間差別相同。此外，前者在低疲勞強(qiáng)度區(qū)([σa,-1]小于50 MPa)劃分了5個(gè)缺口等級(jí)，而后者劃分了1個(gè)主缺口等級(jí)。

DIN 15018缺口等級(jí)的劃分甚為粗略，這與其1984版本應(yīng)用至今一直未進(jìn)行修訂有一定關(guān)系。

3.2 極限容許拉壓和剪應(yīng)力規(guī)定

DIN 15018對(duì)極限容許拉壓應(yīng)力的規(guī)定相對(duì)復(fù)雜：母材和非焊接構(gòu)件的極限容許拉應(yīng)力(270 MPa)大于壓應(yīng)力(240 MPa)；各類型對(duì)接焊縫的極限容許壓應(yīng)力(270 MPa)不低于拉應(yīng)力(270、240 MPa)；角焊縫極限容許拉應(yīng)力(191 MPa)小于壓應(yīng)力(220 MPa)。對(duì)于極限容許剪應(yīng)力，母材和非焊接構(gòu)件的取值(156 MPa)小于焊接接頭(191 MPa)?？傮w來說，DIN 15018的規(guī)定也遵循疲勞強(qiáng)度等級(jí)高、焊縫形式和質(zhì)量?jī)?yōu)則極限容許應(yīng)力大的規(guī)律。

通常，極限疲勞容許應(yīng)力由制造材質(zhì)的屈服極限除以一定的安全系數(shù)得到。如歐洲鐵路研究中心ERRI B12/RP17和B12/RP60研究報(bào)告中[14-15]對(duì)于焊接構(gòu)架的試驗(yàn)驗(yàn)證，規(guī)定母材和焊縫的極限容許正應(yīng)力由制造材質(zhì)屈服極限分別除以1.5和1.65的安全系數(shù)得到，這與DVS 1612針對(duì)母材和高中疲勞強(qiáng)度焊接接頭采用的安全系數(shù)(分別為1.48和1.64)極為接近。

IIW-1823-07由于不針對(duì)任何具體行業(yè)，因此沒有對(duì)極限容許應(yīng)力作出規(guī)定。

3.3 平均應(yīng)力修正方法

對(duì)于正應(yīng)力，分析式( 5 )～式( 8 )，并從圖1可見，DIN 15018在拉壓平均應(yīng)力區(qū)均采用了雙折線修正方法。隨拉伸平均應(yīng)力增大，對(duì)稱循環(huán)至拉伸脈動(dòng)循環(huán)間的容許應(yīng)力幅按斜率0.2線性降低，拉伸脈動(dòng)循環(huán)至拉伸波動(dòng)循環(huán)間按斜率(1-α)/(1+α)線性降低；隨壓縮平均應(yīng)力增大，對(duì)稱循環(huán)至壓縮脈動(dòng)循環(huán)間容許應(yīng)力幅保持不變等于[σa,-1]，壓縮脈動(dòng)循環(huán)至壓縮波動(dòng)循環(huán)間按斜率(1-β)/(1+β)線性降低。

分析式(11)和式(12)，并從圖3可見，DVS 1612采用簡(jiǎn)潔的平均應(yīng)力修正方法，在整個(gè)拉伸平均應(yīng)力區(qū)，隨拉伸平均應(yīng)力增大容許應(yīng)力幅按非線性規(guī)律降低；在整個(gè)壓縮平均應(yīng)力區(qū)，容許應(yīng)力幅保持不變等于[σa,-1]。

分析式(18)～式(20)，并從圖6所示Haigh圖可見，IIW-1823-07采用的平均應(yīng)力修正方法與DVS 1612較為類似。在整個(gè)壓縮平均應(yīng)力區(qū)，容許應(yīng)力幅保持不變且等于[σa,-1]；在對(duì)稱循環(huán)至拉伸脈動(dòng)循環(huán)間，隨拉伸平均應(yīng)力增大容許應(yīng)力幅按非線性規(guī)律降低；在拉伸脈動(dòng)循環(huán)至拉伸波動(dòng)循環(huán)間，容許應(yīng)力幅保持不變且等于拉伸脈動(dòng)循環(huán)容許應(yīng)力幅。

對(duì)于剪應(yīng)力，由于不存在拉壓特性之分，拉壓平均應(yīng)力區(qū)采用相同的修正法，且與正應(yīng)力在拉伸平均應(yīng)力區(qū)的修正方法相同。

對(duì)比分析表明，在對(duì)稱循環(huán)至壓縮脈動(dòng)循環(huán)區(qū)，三組數(shù)據(jù)的正應(yīng)力平均應(yīng)力修正方法相同，即均規(guī)定容許應(yīng)力幅保持不變且等于[σa,-1]；在壓縮脈動(dòng)循環(huán)至壓縮波動(dòng)循環(huán)區(qū)，DVS 1612和IIW-1823-07的規(guī)定相同，即容許應(yīng)力幅仍保持不變且等于[σa,-1]，DIN 15018則規(guī)定隨壓縮平均應(yīng)力增大容許應(yīng)力幅線性降低。一般來說在壓縮平均應(yīng)力區(qū)，隨壓縮平均應(yīng)力增大結(jié)構(gòu)的容許應(yīng)力幅也將增大?？梢?，三組數(shù)據(jù)的壓縮平均應(yīng)力修正均偏于保守，尤其是DIN 15018。

為比較三組數(shù)據(jù)的拉伸平均應(yīng)力修正差異，將DVS 1612與DIN 15018，DVS 1612與IIW-1823-07，兩者間[σa,-1]數(shù)值接近的焊接接頭缺口等級(jí)，在拉伸平均應(yīng)力區(qū)的疲勞包絡(luò)線圖繪制在同一坐標(biāo)圖上，分別見圖10、圖11。其中，三組數(shù)據(jù)的極限容許拉應(yīng)力均采用DVS 1612的規(guī)定。

由圖10可見，在最大應(yīng)力未超過極限容許拉應(yīng)力的平均應(yīng)力范圍內(nèi)，中低平均應(yīng)力區(qū)DVS 1612修正方法較DIN 15018保守，高平均應(yīng)力區(qū)DIN 15018修正方法則較DVS 1612保守。另外，兩組數(shù)據(jù)的上述差異在中高缺口等級(jí)間較明顯(如E1和K0，E4和K1及E5-和K2)，而在低缺口等級(jí)間則不明顯(如F2-和K4)。

由圖11可見，DVS 1612和IIW-1823-07的修正方法極為接近，后者較前者略微保守，且這種較小差異隨缺口等級(jí)降低變的更小。

另外，采用DVS 1612的極限容許剪應(yīng)力規(guī)定，圖12所示為三組數(shù)據(jù)的剪應(yīng)力平均應(yīng)力修正對(duì)比。分析表明，通過細(xì)分全熔深對(duì)接接頭、未熔深對(duì)接接頭、全熔深T形對(duì)接接頭、雙側(cè)未熔深T形對(duì)接接頭及單側(cè)未熔深T形對(duì)接接頭5個(gè)缺口等級(jí)，DVS 1612提供了寬幅的容許剪應(yīng)力數(shù)據(jù)，基本覆蓋了DIN 15018和IIW-1823-07的規(guī)定范圍，尤其是IIW-1823-07。

3.4 母材強(qiáng)度等級(jí)影響

分析表明，DVS 1612和IIW-1823-07都規(guī)定除了極限容許拉壓和剪應(yīng)力外，各缺口等級(jí)的容許疲勞應(yīng)力均不受母材屈服和抗拉極限的影響，即可通用于各自涵蓋的不同強(qiáng)度等級(jí)結(jié)構(gòu)鋼。與上述規(guī)定略有不同，一方面DIN 15018中母材的[σa,-1]取值受其強(qiáng)度等級(jí)影響，焊接接頭的[σa,-1]取值則不受影響；另一方面，從式( 1 )～式( 4 )的平均應(yīng)力修正方程可看出，焊接接頭在壓縮脈動(dòng)循環(huán)至拉伸脈動(dòng)循環(huán)區(qū)的容許應(yīng)力不受母材強(qiáng)度等級(jí)影響，但在壓縮波動(dòng)循環(huán)和拉伸波動(dòng)循環(huán)區(qū)則受影響。

通常，與其他類型非焊接缺口件相比，焊接接頭的全部疲勞壽命主要由潛在類裂紋缺陷的擴(kuò)展壽命所決定。而材料的靜態(tài)強(qiáng)度性能只對(duì)裂紋萌生過程產(chǎn)生較大影響，但對(duì)裂紋擴(kuò)展速率影響很小。故在不進(jìn)行特殊焊后強(qiáng)度改進(jìn)條件下，不同強(qiáng)度等級(jí)鋼制成的焊接接頭基本具有相等的疲勞強(qiáng)度，采用高強(qiáng)鋼并不能有效改善焊接部件的疲勞性能。

4 焊接構(gòu)架名義應(yīng)力容許疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)構(gòu)建

上述對(duì)比表明，DVS 1612提供的容許疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)覆蓋范圍寬，缺口等級(jí)細(xì)分程度高，尤其是中高疲勞強(qiáng)度區(qū)，有利于轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架中各類型重要和優(yōu)質(zhì)焊接接頭的分析評(píng)定。同時(shí)，雖然其在低疲勞強(qiáng)度區(qū)的缺口等級(jí)劃分少，但為確保足夠的疲勞性能，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能避免采用低疲勞強(qiáng)度焊接接頭，尤其是焊接構(gòu)架。

當(dāng)前，考慮到焊接構(gòu)架在焊后都要進(jìn)行整體退火以消除殘余應(yīng)力，因此應(yīng)用與平均應(yīng)力無關(guān)的容許疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)于焊接構(gòu)架的分析評(píng)定，勢(shì)必過于保守而不利于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化。對(duì)于平均應(yīng)力修正方法，尤其是工程中更為關(guān)注的拉伸平均應(yīng)力區(qū)，DVS 1612的規(guī)定相對(duì)簡(jiǎn)潔且保守可取。

此外，DVS 1612規(guī)定焊接接頭的疲勞強(qiáng)度等級(jí)高則極限容許應(yīng)力大，疲勞強(qiáng)度等級(jí)低則極限容許應(yīng)力小，這符合焊接接頭設(shè)計(jì)的一般要求；另一方面除極限容許應(yīng)力外，DVS 1612規(guī)定不同強(qiáng)度等級(jí)鋼制成的焊接接頭具有相等的疲勞強(qiáng)度，這也符合焊接接頭的疲勞特性。

DVS 1612除了考慮常規(guī)的接頭類型、焊縫形式、承載模式、焊后處理及檢測(cè)等因素外，還將歐洲現(xiàn)行鐵道機(jī)車車輛焊接標(biāo)準(zhǔn)EN 15085規(guī)定的焊縫性能等級(jí)指標(biāo)，也納入劃分焊接接頭缺口等級(jí)的因素，強(qiáng)化了設(shè)計(jì)與分析評(píng)定的關(guān)聯(lián)。目前，我國(guó)大多數(shù)鐵道機(jī)車車輛制造企業(yè)已普遍執(zhí)行EN 15085焊接標(biāo)準(zhǔn)。

上述Haigh圖14可用于耐久極限法對(duì)焊接構(gòu)架進(jìn)行疲勞分析評(píng)定。對(duì)于累積損傷法，考慮DVS 1612和IIW-1823-07間相關(guān)疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)的高度相似性(見圖10)，借鑒IIW-1823-07對(duì)S-N曲線相關(guān)參數(shù)的規(guī)定：母材和焊接接頭正應(yīng)力S-N曲線斜率分別取3.0、5.0，常幅疲勞極限對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)取1×107；剪應(yīng)力S-N曲線斜率取5.0，常幅疲勞極限對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)取1×108?；贒VS 1612各缺口等級(jí)，構(gòu)建出了適用于Q345鋼母材及焊接接頭對(duì)稱循環(huán)下正應(yīng)力和剪應(yīng)力S-N曲線，分別見圖15、圖16。其他循環(huán)特性下的S-N曲線可根據(jù)平均應(yīng)力修正方程式(11)、式(12)及式(14)導(dǎo)出。

5 結(jié)束語

(1) 系統(tǒng)對(duì)比了DIN 15018、DVS 1612及IIW-1823-07規(guī)定的名義應(yīng)力容許疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)間的差異。結(jié)果表明，DVS 1612缺口等級(jí)細(xì)分程度高，與現(xiàn)行焊接標(biāo)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，平均應(yīng)力修正保守簡(jiǎn)潔，極限容許應(yīng)力規(guī)定合理，可作為構(gòu)建我國(guó)轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架名義應(yīng)力容許疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)的重要參考。

(2) 我國(guó)Q345鋼機(jī)械性能略低于S355鋼，考慮不同強(qiáng)度等級(jí)鋼制成的焊接接頭具有相等疲勞強(qiáng)度，基于DVS 1612的缺口等級(jí)劃分，著重對(duì)極限容許應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)修正，構(gòu)建出了適用于Q345鋼母材及焊接接頭2×106循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的Haigh疲勞包絡(luò)線圖，可用于焊接構(gòu)架的耐久極限法疲勞分析評(píng)定。

(3) 考慮DVS 1612和IIW-1823-07間相關(guān)疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)的高度相似性，基于前者的缺口等級(jí)劃分和后者的S-N曲線相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建出了適用于Q345鋼母材及焊接接頭的S-N曲線，可用于焊接構(gòu)架的累積損傷法疲勞分析評(píng)定。